某型无人机作战试验电磁环境设计方法

柳 斌, 郝 伟, 孟海锋

(中国华阴兵器试验中心, 陕西华阴 714200)

0 引言

随着新的技术革命,常规兵器朝着电子化、信息化、智能化的方向发展,常规兵器职能需要拓展作战试验使命。作战试验很重要的一点就是要加强电磁环境的构建。目前作战试验电磁环境设计存在以下问题:从内容维度看,技术要求很含糊;从文档化维度看,需求的处理上比较粗糙,没有明确管理要求形成规范的文档;从认识维度看,管理机构与执行单位还没有达成统一认识。最明显的特点是偏向追求概念的完整性,致使问题愈加复杂化,导致研究结果无法直接运用、贴近实战。

而解决这些问题的一个关键技术,就是装备试验电磁环境需求工程技术[1],在试验电磁环境需求工程开发中,需求描述将贯穿于整个需求分析过程。由于装备用户方(军事人员)与开发方(技术人员)在研究领域、考虑问题的方式和角度以及专业知识水平等方面差异,使军事人员与工程技术人员之间难以达成共识,并且由于需求本身的复杂性,使不同知识背景人员之间在传达与理解被研究对象方面一直面临着准确性和效率问题。文中旨在从装备复杂电磁环境适应性试验的核心需求分析方法研究入手,针对电磁环境评估问题,探索解决复杂电磁环境构建试验设计与评估问题。

1 试验设计的方法

1.1 电磁环境构建设计

方法描述:针对试验电磁环境构建要求,提出一种基于问题,面向对象的结构分析方法[2]。该方法基于装备电磁环境构建问题,一是解决装备在作战使命的要求下,考虑作战对象的具体背景环境适应性问题;另一个就是能适应到什么样的电磁环境。

需求创建的流程可概括为:任务分析、需求产生、环境模拟3个阶段。产生过程如图1所示。任务分析是在对环境构建目的进行深入分析的基础上,从中抽取影响试验结论的关键性因素,主要有作战对象、使用环境、武器自身3个关键因素,建立试验环境需求的框架模型。所需环境产生过程主要是指关于系统在构想、概念上的描述,描述其如何作用,能让使用者了解此系统的运行规则。试验环境产生就是分析试验环境的结构特征等关键要素,并将其精确的表述出来,组成概念知识体。

形成的需求报告:建立一个概念表达清晰、目标明确、行动过程完整的试验环境概念模型,使得试验环境能够真实反映环境构建目标和需求。实现3个模型化:实体模型化、行动模型化、交互模型化。实体模型具有:标识属性、状态属性、可感知属性、效能属性。

1.2 电磁环境评估

评估方法:文中采用电磁环境复杂度评估作为评估手段,从频谱复杂度、分布复杂度两个方面对作战试验的电磁环境影响因素进行评价[6](见图2)。

系统之间电磁环境效应由于具有很强的随机性特点,故而采用统计分析方法可以更为客观地反映无人机的环境适应能力[3-5]。方法运用步骤为:首先统计无恶意信号源的频谱占用情况,再把通信频段分为超短波、短波等多个频段,每个波段分成10个区间。考查每一个信号源占用的频谱范围,统计每个波段每个区间内的信号源个数。

分别计算信号源个数的均值和标准差(见图3)。

统计完后可计算频谱的复杂度:

(1)

式中:fpp为频谱复杂度;Nyxpj为恶意信号源的总数量;Npdxy为在某个波段内信号源的总数量;Npjxy为非恶意信号源的总数量;Spd为在某个波段内区间信号源数量的标准差。

第二,统计计算恶意信号源的分布情况。第三,按照相同方法统计有恶意信号源的复杂度。第四,计算战场电磁环境的整体复杂度。

2 某型无人机作战试验设计

根据某型无人机研制总要求,其作战的对象有固定目标、移动目标以及海上目标。文中主要是以作战对象为例说明试验环境构建的需求产生过程。研究假想攻击目标为对海目标阿利·伯克级驱逐舰。

2.1 试验需求分析

无人机作战过程见图4。

作战对象分析:阿利·伯克级驱逐舰[7]是美国海军隶属下唯一的现役驱逐舰,舰队将防空视为主要作战任务。

2.2 典型试验想定

1)对舰船上的典型装备列表分析,如表1所示。

2)伯克级驱逐舰战斗状态用频设备分析

雷达:U、L、S、C、X;1.5 kW、10 MW、210 kW、25 kW;卫通:L、S、C、X、Ku、Ka;百瓦到千瓦。

表1 装备列表

3)反辐射无人机攻击作战试验对象分析

攻击对象:辐射源;攻击距离:50 km发现、20 km锁定、10 km巡航压制、5 km攻击;攻击策略:饱和攻击,无人机对辐射源识别、定位、俯冲攻击。蓝军作战指挥:正常业务(辐射源功率辐射)、无线电静默(辐射源关机)、防空攻击、电子战策略。辐射源信号:雷达(单脉冲线性调频、非线性调频、频率分结集)、通信(FM、BPSK、QPSK、跳频、SSB)。

4)反辐射无人机试验场景想定

想定过程如图5所示,表示无人机攻击的整个过程,其中包括掠海飞行,发现攻击目标,遭导弹拦截,锁定目标进入跟踪状态,驱逐舰进入电子静默、丢失目标,进入徘徊巡航,丧失攻击时机,进行攻击类型目标识别,最后重新锁定目标,攻击后遭遇进程防御,转实施攻击。

5)作战试验需要环境构建能力需求

雷达信号模拟:LSCXKu。扫描方式:环扫、瞄准、相扫(瞬时固定指向)。通信信号模拟:数据链HF、UHF、L、C。通信:LSCXKuKa;百瓦量级到千瓦量级。电子战模拟:干扰、雷达对抗、诱饵。

2.3 控制模型

试验设计无人机在上空飞行,第一个回路为起飞段的环境构建;第二个为近50 km的飞行环境构建;第三个为50 km至40 km的环境构建。

根据以上的分析,试验参试的辐射源主要有L、S、C、X、Ku波段辐射源。按照时间关系为:实体模型、行动模型、交互模型，如表2所示。

表2 无人机飞行试验控制模型实施步骤

2.4 试验的复杂度计算

实际监测的示意图如图6所示。

试验中频谱占用统计表如表3所示。

表3 试验中频谱占用统计表

根据表格的数据统计后,用式(1)进行计算,得到评估值:

通过计算,得到评估值为0.15,以上评估值可以作为每次试验环境比较的相对值,通过比较不同环境下的复杂评估值进行参考,对于作战试验和复杂电磁环境试验的环境评估具有实用意义。

3 结论

针对作战试验电磁环境构建这个新的发展方向,分析了存在的问题,剖析了原因,提出了一种基于装备作战试验主体问题,面向与主体相关各对象的结构分析方法,基于频谱复杂度,分布复杂度的电磁环境评估方法,通过某型反辐射无人机攻击海上舰艇的任务剖面说明了该方法的针对性、可用性,为中心开展作战试验提供参考。

参考文献:

[1] 贾立印, 雷斌, 肖凯宁. 等. 用频装备检测电磁环境分类与量化方法研究 [J]. 中国电子科学研究院学报, 2010, 5(3): 253-259.

[2] 陈行勇, 张殿宗, 钱祖平, 等. 战场电磁环境复杂性定量分析研究综述 [J]. 电子信息对抗技术, 2010, 25(4): 44-51.

[3] EPHRETH A, WEINER D, CAPRARO G, et al. A probabilistic approach to EMC modeling and analysis [C]//IEEE. Proc. of the 1982 Int. Symposium on EMC.[S.l.]:IEEE, 1982: 81-84.

[4] PRIMAK S, LOVETRI J, JOY J. On the statistics of a sum of harmonic waveforms [J]. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 2002, 44(1): 266-271.

[5] HOLLAND R, JONE R H. Statistical EM field models in an externally illuminated, overmoded cavity [J]. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 2001, 43(1): 56-66.

[6] 宋祖勋, 俞卞章, 叶烽, 等. 基于环境适应性的无人机电磁仿真研究 [J]. 系统仿真学报, 2003, 15(3): 433-436.

[7] 凌弘毅, 张娜. “伯克”级驱逐舰 [J]. 舰载武器, 2009, 12(2): 69-70.